正断作用下地裂缝扩展试验研究

胡宏伟 徐继山 孟栋材

摘 要：作为一种浅表土体破裂的地质灾害，地裂缝活动对自然环境和人类工程活动产生了严重的危害，对于断层控制型这一特定类型的地裂缝，它有别于其他非构造型的地裂缝，具有规模大、灾害重、成因复杂等特点，同时它亦可关联着其他因素而间接促成了地裂缝的发育。本文通过物理模型试验重现“断控型”地裂缝发育及扩展过程。结果表明：正断活动作用造成土体内部应力状态发生改变，使得下盘处于受拉状态，上盘处于受压状态，并且地裂缝在土体中扩展方向为沿着上盘向上反倾扩展，即扩展方向与断裂面呈镜像对称。受正断作用影响，地表沉降共出现稳定区、差异沉降区以及稳定沉降区3个区域。其中地裂缝主要发育在断裂带两侧附近的差异沉降区，且上盘地裂缝发育范围较大，下盘地裂缝发育范围较小。

关键词：地裂缝;断层活动;物理模型试验;裂缝扩展

Abstract： As a geological disaster with shallow superficial soil rupture， ground fissure activity has caused serious harm to the natural environment and human engineering activities. It is different from other non-structural types of fault-controlled ground fissures. Cracks have the characteristics of large scale， heavy disasters， and complicated causes. At the same time， they can also be associated with other factors to indirectly promote the development of ground fissures. This paper reproduces the process of "failure control" ground fissure development and expansion through physical model tests. The final result shows that the normal stress action causes the internal stress state of the soil to change， so that the lower wall is under tension and the upper wall is under compression， and the propagation direction of the ground fissures in the soil body is the upward dip along the upper wall. That is， the expansion direction is mirror symmetry with the fracture surface. Affected by the normal fault， the surface subsidence has a stable area， a differential settlement area and a stable settlement area. Among them， the ground fissures are mainly developed in the differential settlement areas near the two sides of the fault zone， and the development range of the upper wall ground fissures is larger; the development range of the lower wall ground fissures is smaller.

Keywords： Ground fissure; Fault activity; Physical model test; Fracture propagation

0 引言

地裂縫作为一种地质灾害，它既严重影响了国家基础工程的建设又造成了巨大的经济损失，因此对地裂缝的研究就显得尤为重要。而在诸多致裂因素中，断层“扮演”着重要而复杂的角色——既能直接控制地裂缝，亦关联着其他因素，如地层结构、岩土体性质、地震活动、地下水抽采、地面沉降等，又间接促成了地裂缝的发育，所以将断层作用从诸多致裂因素中解离出来，进行针对性的研究，这将有助于更好地认识断层这一致裂因素，以及在它控制下的地裂缝发育模式和成缝过程并由此提出防控措施（徐继山等，2012）。

受构造张应力作用发生掀斜作用，两侧地表地层出现差异性沉降（张家明，1990）;受断裂拉张作用影响，土体出现了侧向的临空面，随着临空土体的自重增大，最终导致地裂缝出现（王兰生等，1994）;由于受大断裂活动影响，次级断裂在地表出露，造成地裂缝产生（吴嘉毅等，1995）;在次级断裂往地表延伸过程中断块在自重作用下发生掀斜作用（陕西省地矿局，1994）。目前就断控型地裂缝扩展机制已取得不错的成效，但对于细节问题开展的还不够深入。文章着重分析了受断裂活动影响下，土体内部应力状态变化及地表沉降变化特征，并总结出其力学扩展机制，为地裂缝防控减灾提供指导帮助。

1 物理模型试验

（1）模型结构

试验试验模型箱箱体的尺寸为：长1.5m×宽1m×高1.3m，箱体内部共由3部分所组成，分别为：固定钢板、活动钢板以及活动轨道（图1）。其中固定钢板不可活动，用于模拟断层下盘。活动钢板为可沿着轨道发生上下的活动，用于模拟向下活动断层上盘。活动钢板的垂直运动主要通过钢板底部千斤顶的调节来控制（彭建兵等，2008;赵其华等，1994）。

（2）监测装置

试验监测装置主要由应变监测测线和地表沉降位移监测器组成。其中埋设应变监测测线4条，分别位于地表深度2.5cm、12.5cm、25cm和40cm的中线位置上;地表沉降监测由地表中线布设的6个位移计构成。

（3）试验步骤

试验共摊铺模拟4层地层，由下往上依次为粉砂、砂质黏土、粉质黏土和填土，每层以砂、石膏、碳酸钙及水按相似配合比例拌合，填筑及夯实后厚度依次为20cm、10cm、15cm、5cm。并在每层之间铺设一层白灰，用作于分层标志。

根据实际断层地裂缝活动速率，本次试验过程断裂的垂直平均活动速率定为8mm/d，断裂活动总共历时5天，总错断位移为4cm。

试验过程中每隔一段时间待活动稳定后读取监测仪器数据，并观察土体破裂及裂缝扩展现象。

2 试验结果与分析

2.1 地表破裂及沉降变化特征

（1）地表破裂特征

当断裂上盘活动初期地表中部即出现破裂现象，随着错断量增大，地表裂缝数量逐渐增多且长度也随之延伸，当活动断裂错断4cm后，最终地表共发育有3条主裂缝，其他在这3条主裂缝附近发育有多条短小次级裂缝。其中地表裂缝多发育在活动断裂的上盘，在断裂下盘中仅在靠近断裂带周围出现几条次级裂缝。3条主要裂缝及其他次级裂缝共同组成模型地表破裂形态。从地表裂缝破裂的形态表现为两侧没有明显沉降变化特征，可以推断这些裂缝都属于张拉裂缝，由上盘土层下降拉张作用所形成（罗文超，2019）。

（2）地表沉降变化特征

图2为不同测点位置在各个垂向断距下的地表沉降变化曲线。图中0点位置表示断裂带所在的位置，其他各测点的位置表示距离断裂带的水平距离，正值表示上盘，负值表示下盘（郭萌等，2013）。

从地表沉降变化曲线可以看出，随着底部断裂错断量的增大，地表沉降也随之增大，具体表现为下盘量沉降较小，上盘沉降量较大，从下盘往上盘地表的沉降量逐渐增大。根据地表沉降量变化的大小将其分为3个区：稳定区、差异沉降区以及稳定沉降区。

稳定区：在断裂下盘的左侧到-17cm范围内，该区域范围内地表沉降较小。正因如此，在这一范围区域内地表几乎没有发生沉降变形，基本保持稳定状态，在试验过程中这一范围内也没有发现裂缝的出现，因此在这一区为安全区域，不会受断层作用而出现地裂缝。

差异沉降区：该区域位于跨越断裂带的-17cm到43cm范围内。在该区域范围内地表差异沉降量的变化较大。此区域范围内沉降曲线较陡，曲线斜率较大，土体差异性沉降变化较大，土体稳定性较差，抗剪强度较低，最易发生破坏。因此土体中发育的反倾裂缝大都出现在这一区域范围内。总的来说，下盘沉降量较小，仅在断裂带附近有微弱沉降，因此下盘也仅在断裂带周围出现少量微小的裂缝。

稳定沉降区：该区域位于断裂上盘的43cm到上盘的右侧范围内。该区域范围内地表的沉降量较大但不同位置的差异沉降量变化相对较小。沉降曲线較缓，曲线斜率较小，由于沉降差异变化较小，所以相较于差异沉降变化区，土体中裂缝的发育相对较少。

2.2 剖面破裂特征

最终地层破裂的剖面素描图见图3，图中裂缝1、2、3、4代表其出现的时间，分别对应着断裂垂向断距1cm、2cm、3cm和4cm。从素描图中可以看出，剖面裂缝的形态整体呈反倾状态（范文东，2017;孟繁钰，2011）。

从剖面裂缝发育的范围来看，多数裂缝都发育在断裂上盘，从下往上裂缝发育范围逐渐扩大，断裂下盘仅在浅表靠近断裂带附近地层出现几条细小的裂缝，裂缝整体的形态呈现“Y”型分布。上盘破裂面的范围为距断裂带60cm;下盘破裂面的范围为距断裂带20cm。

从剖面裂缝发育时间上来看，一般都为上部裂缝发育时间晚于下部裂缝，这与实际裂缝从下而上逐步扩展相一致。初期断裂垂向错断1～2cm时，裂缝主要发育在上盘，下盘发育的裂缝多出现在断裂垂向错断3～4cm。

2.3 土体应变变化规律

试验在土体中共埋设4条应变监测测线，4条测线分别位于4层土体的中部，即测线L1埋深2.5cm、测线L2埋深12.5cm、测线L3埋深25.0cm以及测线L4埋深40.0cm。其各测线纵向应变变化曲线如图4所示。

根据各测线土体纵向应变变化规律特征可以总结出，各层土体中的应变变化规律趋势表现出一致性。下盘为正应变，上盘为负应变。在靠近断裂带附近的土体中其应变变化最大，而两侧位置应变变化较小;随着地层埋深的增加，土体的纵向应变变化也随着增大（黄强兵等，2009）。并且在同一埋深位置处，随着断裂垂向断距的增大，其纵向应变值也随着增大。

据此表明在断裂上盘内的土体随着模型底部的位移而发生同步下沉，而在断裂下盘靠近断裂带范围内的土体由于与上盘土体表现出的整体性，当断裂上盘土体发生下沉时，下盘断裂带周围土体表现出受拉状态，有阻止上盘土体发生下沉的趋势，根据上覆土体受力状态可以推断出，在断裂上盘与下盘断裂带附近土体为主要的受力范围，因此，土体易发生破坏而产生裂缝。

2.4 地裂缝扩展力学机制

（1）断裂下盘裂缝扩展机制

根据对实验土体内部应变监测看出断裂下盘土体处于受拉区域。随着上盘底部的错断，下盘土体底部垂直方向上没有发生位移，保持相对静止，侧边土体受到上盘下沉而发生水平方向向外扩张的趋势。相较于垂直方向的自重应力，水平方向拉应力较小。表现为水平应力小于垂直应力（孟繁钰，2011）。在断裂下盘地裂缝面上取一个单位体积的微元体对其进行力学分析，其受力状态见图5b。

此时，设该微元体最大主应力为σ1，最小主应力为σ3，水平方向拉应力为σx，垂直方向压应力为σy。此时，微元体所受剪应力方向为逆时针旋转方向，所以剪应力值τ为负。

3 结论

正断地裂缝模型试验通过地表破裂及沉降变化特征、剖面破裂特征及土体应变变化规律分析，最终得出如下结论：

（1）正断活动地裂缝在土体中主要的扩展方向为沿着上盘向上反倾扩展，即扩展方向与断裂面呈镜像对称。

（2）正断活动条件下，地裂缝在土体中扩展发育主要以上盘为主，下盘裂缝发育较少。

（3）正断作用造成土体内部应力状态发生改变，在下盘出现正应变;上盘出现负应变，即表明下盘处于受拉状态;上盘处于受压状态。

（4）受正断作用影响，地表沉降会出现3个区，分别为：稳定区、差异沉降区以及稳定沉降区。其中断裂带附近地层沉降的差异性较大;两侧地层中，上盘沉降较大但沉降相对稳定，下盘地层保持稳定沉降较小。地裂缝在土体中发育以差异沉降区为主，稳定沉降区为辅。因此，在地裂缝设防过程中应将差异沉降区设为主要区域，稳定沉降区作为次要设防区域。

参考文献：

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